Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 53
Текст из файла (страница 53)
У газодинамиков возникла идея создать в качестве завесы для окон ГДЛ пристеночный сверхзвуковой поток сухого воздуха. Для инфракрасного излучения ГДЛ такая воздушная стенка практически прозрачна, но в то же время она является надежной преградой, отделяющей внешнюю среду от среды внутренней. Чтобы разобраться в предложенных идеях, необходимо остановиться на понятии слабых разрывов в газодинамике. Принципиальной особенностью сверхзвуковых течений является наличие в потоке поверхностей разрыва. На этих поверхностях величины, описывающие поток, — плотность р, давление Р, скорость й и т.д., испытывают скачок в своих значениях; такие поверхности называют ударными разрывами или ударными волнами (см. 0' 1!), Однако могут существовать и так называемые слабые разрывы.
На поверхностях слабых разрывов сами величины р, Р, б и т. д, непрерывны, но претерпевают скачкообразное изменение их производные по координатам. Известно (см. 5 11.3), что улар- Ваака ный разрыв в рамках газодинами- ббадкзл~кабвту Р, Раакнлакак ки рассматривается как геометрическая поверхность. Слабые же раз- Р/ рывы могут обладать значительным уширением, образуя переходный слой между однородными потоками.
При этом размеры области ушнрения возрастают при удалении от 224 Лрилохгение «места возмущения» потока. Такая ситуация возникает, например, при обтекании сверхзвуковым потоком угла на поверхности тела (см. рис. 1.П). Картина сверхзвукового обтекания края угла образует режим течения, называемый волной разрежения. В направлении обхода вокруг вершины угла, совпадающем с направлением течения, плотность и давление падают, а вектор скорости возрастает по абсолютной величине н поворачивается в направлении обхода. Такой поток испытывает монотонное разрежение.
Границами между волной разрежения и областями однородного течения являются слабые разрывы. На рис. 1.П они изображены в виде «веера» линий. Заметим, что при лозвуковолг обтекании угла на краю угла наблюдался бы отрыв потока и его турбулизацня. Сверхзвуковое течение вокруг угла не сопровождается отрывом и турбулизацией потока, но образуются слабые разрывы, отходящие от края угла.
Само их существование обусловлено конечной скоростью распространения возмущений, которой является скорость звука. Наклон линий слабого разрыва определяется значением чисел Маха в потоке (см. З 14.1). После вышеизложенного обсуждения становится ясным принцип работы аэродинамических окон в резонаторе ГДЛ (см. рис. 2.П). Из рисунка 2.П видно, что с помощью сопла Лаваля создается пристеночный сверхзвуковой поток, направленный поперек выходного отверстия лазерного пучка. Давление воздуха на выходе из сопла равно внешнему атмосферному. Край среза раструба сопла возмущает сверхзвуковой поток и возникает «веер» слабых разрывов. Сформированная ими волна разрежения поворачивает поток.
Покинув область волны разрежения, поток имеет лавление, равное давлению газа в резонаторе ГДЛ. В результате слабые разрывы станут границей, отделяющей внешнюю среду от среды в резонаторе. Виселсе дадеилес Р Ра Ряе. 2.П. Схема азродннамнческого окна 225 Физака-теккаческая аблаопь Естественно, что аэродинамические окна найдут применение не только как средство вывода мощных лазерных пучков из замкнутых объемов. К 99.4.
Магнитогидродниамичеекий генератор (МГД-генератор) На Баренцевом море в районе полуострова Рыбачий (на его узком перешейке) установлен мощный импульсный МГД-генератор «Хибины». Его назначение: геоэлектрическое зондирование глубинных земных слоев, с целью нахождения рудных месторождений, нефтеносных слоев и др. Полная мощность МГД-генератора «Хибины» может достигать 100 МВт. При этом генерируемый ток 20 тыс.
ампер обтекал полуостров Рыбачий по контуру с площадью 104 кмз. В результате возникал излучающий магнитный диполь с моментом 9Л по модулю равным !О'4 А мз. Напомним, что магнитный дипольный момент (в СИ) )9зц=е я, где Š— ток, Я вЂ” площадь, охватываемая током. Создаваемое излучаю- щим диполем магнитное поле 9Л (В) - рву, где  — точка, в которой ищется усредненное магнитное поле. С помощью широкой измерительной сети датчиков наблюдалось, как силовые линии искусственного магнитного поля диффуцдируют по всей территории Кольского полуострова.
В случае, когда силовые линии натыкались на электропроводящее тело (залежь), диффузия поля замедлялась, и по распределению полей на поверхности можно было определить места резких контрастов в электропроводимости земной коры. Как известно, акустические методы георазведки дают возможность судить лишь о механических свойствах земных пород. С помощью геоэлектрических методов можно получить дополнительно сведения об емкости и электропроводности, а также о некоторых магнитных свойствах пород, Анализ уже первых результатов позволил надежно установить распределение проводимости до глубин 30+ 40 км. Удельное сопротивление пород здесь оценивается величиной 10ь Ом м. Это очень высокое сопротивление, которое свидетельствует, что земная кора на этих глубинах сухая н имеет температуру около 400' С.
Полученные результаты стали возможны благодаря созданию мощных импульсных магнитогидродинамических генераторов. Что же представляют собой подобные МГД-генераторы? Они работают на низко- температурной газовой плазме, являющейся продуктом сгорания специальных твердых топлив с легко ионизующимися добавками (К, Сз). Параметры плазмы следующие: температура 2000 —: 2700' С и давление порядка атмосферного. 226 Проложенне где гт — электропроводность плазмы. КПД импульсных МГД-генераторов около 20% а мощность, снимаемая с единицы объема плазмы, порядка 10з МВттгмз.
Рвс. З.П. Простейшая схема Игд-генератора К 010.2. Роль «канальной физики» в эффективной работе газодинамических двигателей (ГД) Несомненно, что процесс рационального смесеобразования горючего с воздухом (или, вообще, с окислителем) может обеспечить наиболее полное сгорание. Чтобы достичь этою, естественно, нужно увеличивать поверхность испаряющейся жидкости — горючего.
Другими словами, необходимо в камеры сгорания ГД подавать горючее в мелкокапельном (туман) состоянии. При этом процесс горения должен происходить в скоростном потоке воздуха. В начале пути исследователи указанных процессов начали изучать физико-химию капли и ее гидродннамику. В состоянии невесомости на каплю действует практически лишь поверхностное натяжение, и капля принимает сферическую форму. Известно, что сфера обладает минимальной поверхностью при данном объеме тела. Для величины давления поверхностного натяжения Р существует формула Лапласа о Р =2 —, В' где а — коэффициент поверхностного натяжения, Я вЂ” радиус сферической капли.
В воздушном потоке на каплю воздействуют аэродинамические силы. Их наибольшее значение будет в лобовой части капли, где поток Образовавшаяся плазма устремляется в сопло Лаваля, разгоняясь до скоростей 2 —: 2,5 км/с. Боковые стенки сверхзвукового МГД-канала заподлицо выложены электродами.
Плазменный поток, представляющий собой движущийся проводник, пересекает силовые линии магнитного поля, создаваемою магнитной системой МГД-генератора. Это поле характеризуется магнитной индукцией В 3 тесла. 1 Согласно закону Фарадея, в описанных условиях в проводнике — газовой плазме— должен возникнуть индуцированный электрический ток у. Направление тока 3 „по известному правилу, будет перпендикулярно полю В и скорости е потока (см. рис. 3.П). Соответственно, на электродах возникнет разность потенциалов, а во внешней проводящей среде (морской воде) ток Х. Мощность МГД-генераторов т"тт гте В, 3 227 Фпзоко-гпехинчеслая облаопь почти полностью тормозится. Величина аэродинамического давления Р„р оценится как Раэр Ри гг2, 2 где р — плотность воздуха, и — скорость воздушной струи.
В гидродинамике капли, т. е. при эволюции ее формы в потоке газа, при ее распаде на более мелкие капли и др., существует закон подобия. Составим безразмерное отношение (с точностью до постоянного численного коэффициента) ры2Я вЂ” =%е = —, Р гв Т вЂ” Н~г ~. При %е = %е„= 1О капля испытывает распад на две меньшие. При 10 < %е < 20 капля деформируется в торозшальное кольцо, при этом: 1) из кольца выдувается парашютообразная пленка, распадающаяся на капли значительно меньших размеров; 2) на периметре кольца возникают длинноволновые колебания, переходящие в коротковолновые. При %е = 33 Рис. 4.П П Таблина взята из книги М. С. Волынского «Необыкновенная низав обыкновенной капли», Мл Знание, 1986.
называемое числом Вебера %е. Для капель жидкостей различной плотности, имеющих различные параметры Я и а, в потоках газа различных скоростей, при одинаковых числах Вебера, будут наблюдаться одинаковые явления. В приводимой графической таблицеб (см. рис.4.П) изображена деформация и распад капель при последовательном возрастании числа Вебера. Так, при докритическом режиме (%е < %е„) возникают устойчивые колебания капель. Период их колебаний Т можно оценить по формуле (см.
э" 8.7) 228 Приложение на капле становится существенным неравномерное распределение аэролинамического давления: передняя часть капли, находясь под повышенным (положительным) давлением, становится более плоской; задняя часть капли формируется при пониженном (отрицательном) давлении, и тоже уплощается; в результате возникает дискообразная пленка, распадающаяся на мелкие капли под влиянием коротковолновых колебаний. При %е = 70 распределение давления на капле, благодаря развитой турбулентности, таково, что образуется «нечто», напоминающее облицовку из металла в выемке кумулятивного заряда (см, з 12,! ); в случае схлопывания такого образования, возникает кумулятивная струйка, направленная вперед (против течения).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
